熱質(zhì)交換原理與設(shè)備考點(diǎn)

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熱質(zhì)交換原理與設(shè)備考點(diǎn)

陳金峰整理

熱質(zhì)交換原理與設(shè)備考點(diǎn)

陳金峰

其次章：熱質(zhì)交換過程

2.1對(duì)于三傳現(xiàn)象的解析：動(dòng)量傳遞傳遞形式傳遞公式

熱量傳遞導(dǎo)熱、熱對(duì)流質(zhì)量傳遞分子擴(kuò)散切應(yīng)力t=-m傳遞速率擴(kuò)散率傳遞特征傳遞推動(dòng)力dudydtq=-ldyqadCAm=-DAdyABturumADABCprtCA?ru速度差?y溫度差?Cprt?y?C濃度差?yA2.2質(zhì)交換的基本方式：按機(jī)理分：分子擴(kuò)散、對(duì)流擴(kuò)散。按推動(dòng)力分：濃度擴(kuò)散、熱擴(kuò)散、壓力擴(kuò)散。同時(shí)存在分子擴(kuò)散和對(duì)流擴(kuò)散時(shí)稱之為對(duì)流質(zhì)交換。2.3關(guān)于擴(kuò)散傳質(zhì)：

2.3.1斐克定律：在濃度場(chǎng)不隨時(shí)間而變化的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散條件下，當(dāng)無整體滾動(dòng)時(shí)，組成

二元混合物中的組分A和B將發(fā)生相互擴(kuò)散。表達(dá)式：JA=-DABdCA（只適用于分子無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)引起的擴(kuò)散過程）

dz

Dp′(pA1-pA2)（其中：pBM=pB2-pB12.3.2斯蒂芬定律：mA=pRTDzpBMlnB2

pB1

離，其中A為擴(kuò)散的組分，尋常為水。B尋常為空氣）應(yīng)用舉例：P32例2-4

Dz為距

2.3.3擴(kuò)散系數(shù)：試驗(yàn)測(cè)得，氣體>液體>固體。表示其擴(kuò)散能力。非標(biāo)準(zhǔn)狀況下的擴(kuò)散

3pT系數(shù)計(jì)算：D=D00()2pT0

2.4對(duì)流傳質(zhì)與模型：

hm為對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)，CAs和CA￥分別為壁

2.4.1對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)：NA=hm(CAs-CA￥)

面處和主流的濃度

2.4.2相際間對(duì)流傳質(zhì)模型：

1

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2.4.2.1薄膜理論：當(dāng)流體靠近物體表面流過時(shí)，存在一層附壁薄膜，在薄膜的流體

側(cè)與具有濃度均勻的主流連續(xù)接觸，并假設(shè)膜內(nèi)流體與主流不相混合和擾動(dòng)。在此條件下，整個(gè)過傳質(zhì)程中相當(dāng)于此薄膜上的擴(kuò)散作用，而且認(rèn)為在薄膜上垂直于壁面方向上呈線性濃

D度分布，膜內(nèi)的擴(kuò)散傳質(zhì)過程具有穩(wěn)態(tài)的特性。由薄膜理論，傳質(zhì)系數(shù)hm=.

d

2.4.2.2滲透理論：當(dāng)流體流過表面時(shí)，有流體質(zhì)點(diǎn)不斷穿過流體的附壁薄層想表面

遷移并與之接觸，流體質(zhì)點(diǎn)在與表面接觸之際則進(jìn)行質(zhì)量的轉(zhuǎn)移過程，此后質(zhì)點(diǎn)又回到主流核心中去。流體質(zhì)點(diǎn)在很短的接觸時(shí)間內(nèi)，接受表面?zhèn)鬟f的組分過程表現(xiàn)為不穩(wěn)態(tài)特征。2.5三傳準(zhǔn)則數(shù)概述

準(zhǔn)則數(shù)

表達(dá)式物理意義

聯(lián)系動(dòng)量傳輸與質(zhì)量傳輸，反映速度場(chǎng)與

備注

對(duì)應(yīng)傳熱中普朗特?cái)?shù)。等于1時(shí)表示速度分布曲線和濃度分布曲線重合，速度邊界

施密特?cái)?shù)Sc

nSc=Di

hm′lD

Sh=hm

St=m

Re′ScuSh=

宣烏特?cái)?shù)Sh斯坦登數(shù)St

劉易斯數(shù)Le

濃度場(chǎng)的關(guān)系，表達(dá)層和濃度邊界層厚度相等

流體的傳質(zhì)特性

流體的邊界擴(kuò)散阻力

對(duì)應(yīng)于傳熱學(xué)中Nu

與對(duì)流傳質(zhì)阻力之比Nu、Pr、Sh的綜合準(zhǔn)則

對(duì)應(yīng)于傳熱學(xué)中的St

2

劉易斯關(guān)系式h=c′等于13，Ler′Lep

hm

aSc

Le==

PrDAB

反映溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)的關(guān)系，表達(dá)傳熱與傳質(zhì)之間的聯(lián)系

時(shí)溫度分布和濃度分布重合（水和空氣系

h

統(tǒng)的Le近似為1，=cp）

hm

Pr越接近于1則溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)越接近，越遠(yuǎn)離則越不相像，大小決定溫度邊界層和速度邊界層的厚度關(guān)系

普朗特?cái)?shù)Pr

nPr=a

聯(lián)系溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)

2.6對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)的計(jì)算

主要有兩種方法，第一種：由傳熱與傳質(zhì)的類比獲得傳質(zhì)各個(gè)準(zhǔn)則數(shù)之間的關(guān)系式，，求得宣烏特?cái)?shù)，再由宣烏特?cái)?shù)的表達(dá)式求得對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)。其次種，先利用各種傳熱的關(guān)系

Dah

和條件，求出傳熱系數(shù)，再根據(jù)劉易斯關(guān)系式（hm=h=h=，見書59頁(yè)）求得

llcpr

對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)。應(yīng)用舉例參見書64、65頁(yè)例2-10和例2-11.及94頁(yè)題28，32.

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2.7劉易斯關(guān)系式

m

hLeh

=，在水-空氣系統(tǒng)中表達(dá)式為=cp，即在空氣-水系統(tǒng)熱質(zhì)交換過程中，hcprhm

2

-3

當(dāng)空氣溫度和含濕量在實(shí)用范圍內(nèi)變化很小時(shí)，換熱系數(shù)與傳質(zhì)系數(shù)之間需保持一定量的數(shù)值關(guān)系，條件變化可使這兩個(gè)系數(shù)中的某一個(gè)系數(shù)增大或減小，從而導(dǎo)致另一個(gè)系數(shù)發(fā)生相

ah=c總是成立。這

同的變化。在湍流運(yùn)動(dòng)中無論Le=是否等于1，劉易斯關(guān)系式p

DABhm

說明白在湍流傳遞過程中，流體之間的湍流混合在傳遞中起主導(dǎo)作用。對(duì)于層流和湍流中緊

ha

靠固體表面的層流底層來說，劉易斯關(guān)系式=cp僅適用于Le==1的狀況

hmDAB

2.8干球溫度、濕球溫度、絕熱飽和溫度

干球溫度：就是普通溫度計(jì)測(cè)得的溫度濕球溫度：濕球溫度計(jì)頭部被尾端浸入水中的

吸液蕊包裹，當(dāng)空氣流過時(shí)，大量的不飽

和空氣流過濕布時(shí)，濕布表面的水分就要蒸發(fā)，并擴(kuò)散到空氣中去；同時(shí)空氣中的熱量也傳到濕布表面，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，水銀溫度計(jì)所指示的溫度便是空氣的濕球溫度。

絕熱飽和溫度：是指有限量空氣和水接觸，接觸面積較大，接觸時(shí)間足夠充分，空氣和水總會(huì)達(dá)到平衡。在絕熱心況下，水向空氣中蒸發(fā)，水分蒸發(fā)所需要的熱量全部由濕空氣供給，故空氣的溫度將降低。另一方面，由于水分的蒸發(fā)，濕空氣的含濕量將增大。當(dāng)濕空氣達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，其溫度不再降低，此時(shí)的溫度稱之為絕熱飽和溫度。

有關(guān)絕熱飽和溫度與濕球溫度的異同：一致點(diǎn)：1.兩者都不是濕氣體本身的溫度，但

都和濕氣體的溫度和濕度有關(guān)，且都

表達(dá)了氣體入口狀態(tài)已確定時(shí)與之接觸的液體溫度的變化極限

2.對(duì)于空氣和水系統(tǒng)，兩者近似相等不同點(diǎn)：1.絕熱飽和溫度由熱平衡而

得出，是空氣的熱力學(xué)性質(zhì)，濕球溫度取決于

傳遞速率

2.絕熱飽和溫度是大量水與空氣接觸，最終達(dá)到兩相平衡時(shí)的溫度，過程

中氣體溫度和濕度都是變化的，濕球溫度是少量水和大量連續(xù)氣流相接觸，傳熱傳質(zhì)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度，過程中氣體的溫度和濕度不變。

3.絕熱飽和過程中，氣液間傳遞推動(dòng)力由大變小，最終趨近于零，測(cè)量濕

球溫度時(shí)，穩(wěn)定后的傳熱推動(dòng)力不變。

2.9其他重要知識(shí)湍流傳遞系數(shù)和分子傳遞系數(shù)的區(qū)別：1.分子傳遞系數(shù)是和溫度、壓力有

關(guān)的流體固有

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性質(zhì)，是物性，湍流傳遞系數(shù)主要取決于流體的運(yùn)動(dòng)，取決于邊界條件及其影響下的速度分布。2.分子傳遞可以由逐點(diǎn)局部平衡的定律來確定，而湍流需要考慮松弛效應(yīng)，即歷史和周圍流場(chǎng)對(duì)某時(shí)刻某空間點(diǎn)的湍流性質(zhì)的影響。3.分子傳遞是各向同性的，湍流傳遞是各向異性的。

切應(yīng)力分子傳遞的動(dòng)量導(dǎo)熱分子傳遞的熱量紊流切應(yīng)力湍流傳遞的動(dòng)量熱對(duì)流湍流傳遞的熱量

由理想氣體狀態(tài)方程推出質(zhì)量濃度rA=

平均分子量M=

*

PAPA

，物質(zhì)的量濃度NA=RATRT

?XM

ii=1

n